Kameras für Mond/Planeten

Von Peter Wellmann



 

 

Das Kamera-Problem: Dass im Laufe der Jahre die Kameras immer weiter entwickelt und verbessert werden, ist eine feine Sache. Man fragt sich jedoch ständig, ob die eigene Kamera noch aktuell ist. Dieser Vergleich von Vertretern dreier Kameragenerationen soll diese Frage beantworten, und gilt ausschließlich für die Mond/Planetenfotografie. Wir haben uns für Produkte von The Imaging Source (TIS) entschieden, weil für optimale Funktion nicht nur der Bildsensor sondern auch die Kameraelektronik ein Rolle spielt, und die ist bei TIS von guter Qualität. Auch das kostenlose Programm IC.Capture ist für die Bedienung der Kameras und die zeit/bildgesteuerte Aufnahme von Einzelbildern und Videos sehr gut geeignet. Die Überlegungen gelten sowohl für die schwarzen Astro-Kameras als auch für die entsprechenden blauen Industriekameras, beide unterscheiden sich bei den neuen Modellen lediglich durch den Lieferumfang. Astrokameras liegt ein 5/4 Zoll Adapter, eine CD mit dem Programm IC.Capture und ein (für kalte Nächte zu sperriges) Anschlusskabel bei. Wer die Kameras auch für andere Zwecke mit gängigen CS-Mount Objektiven nutzen möchte, sollte die (sogar eventuell billigeren) blauen Industriekameras wählen, bei den schwarzen Kameras müsste sonst C-Mount auf CS-Mount umgestellt werden. Natürlich gilt dieser Vergleich auch für alle anderen Kameras mit den gleichen Bildsensoren, und einer Elektronik auf TIS-Niveau. Noch ein Hinweis: Wegen der oft falschen Verwendung des Begriffs "Öffnungsverhältnis" und missverständlicher Bezeichnungen wie z.B. f/10 verwenden wir ab sofort nur noch den klar definierten Begriff "Blendenzahl" oder kurz "Blende", wie er in der Fotografie üblich ist. Blendenzahl = Brennweite/Öffnung. Ein SC mit einer Brennweite 300 cm und Öffnung 30 cm hätte also Blendenzahl 10. Bei dieser Gelegenheit hier noch ein Hinweis auf unsere ausführlichen Informationen bezüglich Mond/Planeten Fotografie.

 

 

 

 

Das Shutter-Problem: Eine weitere Angelegenheit könnte die Wahl der Kamera beeinflussen. Bei CCD-Sensoren werden alle Pixel gleichzeitig belichtet, und dann zusammen ausgelesen (Global Shutter GS). Bei vielen auf dem Markt befindlichen CMOS-Sensoren wird zeilenweise und damit zeitversetzt belichtet (Rolling Shutter RS). Das Bild eines bewegten Motivs wird daher durch den Zeitversatz zwischen den einzelnen Zeilen in Bewegungsrichtung verzerrt. Das führt bei schneller Bewegung zu einem völlig unbrauchbaren Bild. Da bei astronomischen Aufnahmen immer eine gewisse Luftunruhe herrscht, und gelegentlich auch Wind zu Schwingungen des Teleskops führt, muss man unbedingt darüber nachdenken, ob ein RS unter bestimmten Bedingungen Probleme verursachen könnte. Entwarnung gibt es nur bei der Wahl eines CMOS-Sensors mit GS, dieser Sensortyp wird verstärkt angeboten, ist jedoch noch teurer als ein RS, weil in jedes einzelne Pixel eine Speicherzelle eingefügt werden muss. Es bleibt dann noch die Frage, ob nicht generell CCD-Sensoren bessere Bilder als CMOS-Sensoren liefern. In Teil 2 gibt es weitere Informationen zu diesem Thema.

 

Das Anschluss-Problem: Eine weitere Problematik ergibt sich für Kameras mit hoher Datenrate. Sie benötigen eine schnelle Schnittstelle wie zum Beispiel USB3.0. Steht der Computer nicht direkt am Teleskop, benötigt man ein längeres Anschlusskabel, eine so genannte "aktive Verlängerung". Das ist ein Kabel mit Elektronik zur Signalaufbereitung in den Steckern, die über USB oder ein eigenes Netzgerät mit Strom versorgt wird. Solche Kabel funktionieren bei USB2.0 normalerweise einwandfrei, bei USB3.0 leider nicht immer. Wir haben das genauer untersucht, und geben in Teil 3 Informationen zu diesem Thema.

 


Seitenanfang

 


 
Teil 1: Vergleich einiger Kameras

 

Bitte bedenken: Bei der Auswahl von Kameras für die Mond/Planeten-Fotografie gelten besondere Regeln. Ein Beispiel: Kameras mit großen Pixel gelten allgemein als gut, weil sehr lichtempfindlich. Das ist bei der Fotografie von lichtschwachen Deepsky-Objekten auch richtig, jedoch völlig falsch in Bezug auf die Erstellung von Mond/Planeten-Bildern. Bei der Deepsky-Fotografie kommt es nicht darauf an eine möglichst hohe Auflösung zu erreichen, sondern darauf, möglichst viel Licht zu sammeln, und das gelingt tatsächlich mit großen Pixel besser als mit kleinen Pixel. Bei der Mondfotografie und ganz besonders bei Planeten muss man die Kamera jedoch so an das Teleskop anpassen, das die theoretisch mögliche Auflösung des Teleskops voll ausgenutzt wird. Man muss also die schon an anderer Stelle hergeleitete Bedingung f = 3,6x erfüllen (f Blendenzahl des Teleskops; x Pixelgröße in µ). Beispiel: Für ein übliches SC-Teleskop mit Blendenzahl 10 wäre also eine Pixelgröße von x = 10/3,6 = 2,8µ als absoluter Maximalwert einzuhalten. Größere Pixel verschenken Auflösung, und wären nur bei schlechten Bedingungen (schlechtem Seeing) sinnvoll, etwas kleinere Pixel sind auf jeden Fall sinnvoll, führen aber zu einer bei knappem Licht unerwünschten längeren Belichtungszeit. Die beste Lösung ist die Wahl einer möglichst gut passenden Kamera, im Beispiel also mit maximal 2,8 bis etwa 2,2µ Pixelgröße (optimal für Planeten ist die untere Grenze 2,2µ) für das betrachtete f=10 Teleskop. Normalerweise wird man jedoch die Blendenzahl des Teleskops an die vorhandene Kamera anpassen müssen, indem man seine Brennweite (und damit seine Blendenzahl) mit einer Barlow oder einem Reducer entsprechend verändert. Eine solche zusätzliche Linse im Strahlengang kostet immer geringfügig Licht und Bildschärfe, und in der erforderlichen sehr guten Qualität (apochromatisch, mindestens dreilinsig) schon mal 100 Euro oder mehr.

 

Warnung: Wer höchste Auflösung anstrebt, kann bei der Kamerawahl schwere Fehler machen indem er eine Pixelgröße wählt, die sich mangels passender apochromatischer Barlows nicht optimal an sein Teleskop anpassen lässt. Hier ein Beispiel: Bei Nutzung der verbreiteten SC-Teleskope mit Blendenzahl f = 10 können viele gängige Astrokameras mit Pixelgröße 2,9µ kaum, und 3,45 bzw. 3,75µ überhaupt nicht optimal an f = 10 angepasst werden.

 

Wer nur das schnelle Ergebnis sucht, kann jetzt weiter unten bei "Kritischer Hinweis" weiterlesen. Für die geforderte Anpassung auf gleiche Auflösung haben wir mehrere zweilinsige für Testzwecke ausreichende Q-Turret Barlows angeschafft, deren Linsenelement direkt in das Filtergewinde der Kameraadapter geschraubt werden kann. Mit der Länge der Adapter (Variation mittels Zwischenringen, im Notfall durch Kürzen auf der Drehbank) wurden die Barlows für jede Kamera individuell so angepasst, das lediglich eine Kamera mit Pixelgröße von 2,4µ ohne Barlow (mit ersatzweise vorgeschaltetem Klarglas) bleiben konnte. Das entspricht einer guten Anpassung aller Kameras an die üblichen SC-Teleskope mit Blendenzahl 10. Das muss aber nicht so gewählt werden, unverzichtbar ist nur, dass nach der Anpassung alle Kameras am Teleskop das Testobjekt in gleicher Größe zeigen, oder nur mit minimalen Unterschieden, die ohne Probleme rechnerisch ausgeglichen werden können. Als Lichtquelle dient diffuses Tageslicht aus einer Hochnebeldecke. Es ist zumindest über eine gewisse Zeit von konstanter Intensität, und enthält alle Wellenlängen vom Sichtbaren bis zum Infrarot. Beobachtet wurde mit einem ETX durch eine Infrarot durchlässige Fensterverglasung (es geht ja nicht um Schärfe sondern nur um Belichtungszeiten), Objekt war das Gehäuse einer entfernten Straßenlaterne. Die Kameras waren auf Betriebstemperatur, Umgebungstemperatur war 20 Grad Celsius. Die Kamerasteuerung erfolgte mit der bestens nutzbaren kostenlosen Software IC.Capture 2.4 von The Imaging Source (TIS).

 

 

 

 

Prinzipielles Vorgehen: Je nach Kameratyp und Anschluss (z.B. USB oder Firewire) variieren bei IC.Capture die Skalen für die Kameraparamter, was einen Vergleich erheblich erschwert. Als Grundeinstellung für alle Kameras steht Gamma neutral, was je nach Kameratyp 1, 10 oder 100 bedeutet. Die Regler für Helligkeit und Kontrast stehen auf Null, lediglich die 72/27er Kameras benötigten -wie sich später zeigte- eine geringe Anpassung von Helligkeit und Kontrast. Als Referenzkamera wurde die DMK33UX178 gewählt. Sie wurde so eingestellt, dass sie bei sehr wenig Licht (wie oft am Teleskop) ein absichtlich verrauschtes, aber nahezu das volle Histogramm nutzendes Bild zeigt. Für dieses Referenzbild waren Gain 25 und Belichtung 1/34 erforderlich. Wegen der nicht 100% langzeitstabilen Lichtquelle wurden alle Kameras einzeln gegen die Referenzkamera gemessen. So dauert eine einzelner Vergleich nicht lange, die Helligkeit bleibt in diesem Zeitraum konstant. Änderte sich das Aussehen des Referenzbildes doch einmal geringfügig, so konnte durch Verschieben eines auf dem Tubus liegenden, teilweise vor dem Objektiv hängenden schwarzen Tuchs die Helligkeit korrigiert werden.

 

Während des Vergleichs müssen beide Kameras bei IC.Capture angemeldet bleiben. Das Bild der auf Gain 25 und Belichtung 1/34 eingestellten Referenzkamera wird auf den PC-Schirm gebracht, und mit der "Tuchblende" ein gutes, das Histogramm weitgehend nutzendes, Bild eingestellt und eingefroren. Sofort darauf wird die zu vergleichende Kamera ans Teleskop gesteckt, und ihr Live-Bild mittels Variation von Gain und Belichtungszeit an das eingefrorene Referenzbild angepasst, wobei auch die Histogramme eine gute Hilfe sind. Diese nicht ganz einfache -aber für den Test sehr wichtige- Anpassung erforderte  bei den 72/27er Kameras zusätzlich die schon oben erwähnten Korrekturen für Helligkeit/Kontrast. Die so gefundenen Kameraparameter (Tabelle 1) für gleiches Aussehen mit dem Referenzbild werden der jeweiligen Kamera fest zugeordnet, und in Folge mit Ausnahme der Belichtungszeit nicht mehr verändert. Die zugehörigen Belichtungszeiten stehen in der Spalte "total" von Tabelle 2. Die Angabe erfolgt absichtlich in der Form 1/x, die Werte x unter dem Bruchstrich (Kehrwert der Belichtungszeit) sind dann ein taugliches und vor allem direkt vergleichbares Maß für die Performance der verschiedenen Kameras, gültig bei korrekter Anpassung auf gleiche Auflösung am Teleskop. Obige Abbildung zeigt exemplarisch, dass man recht präzise Einstellungen auf gleiche Bildqualität (Helligkeit, Kontrast, Gamma, Rauschen) finden kann. Obwohl der Test auf dem visuellen Vergleich von Rauschen, Helligkeit, Kontrast und Gamma beruht, können wir daher ein qualitativ ordentliches Ergebnis erwarten, Labor-Präzision sollte man jedoch keinesfalls fordern.

 

 

Tabelle 1: Verglichene Kameras, Einstellungen für gleiche Bilder bezüglich Helligkeit, Kontrast, Gamma, Rauschen***

Kamera

Anschluss

Typ

Sensor

Pixelzahl

µPix

Gain

Gamma

Hel/Kon

Blende**

max fps*

DFK27AUP006

USB3.0

CMOS RS

MT9P006

5MP

2,2

5,74

100

100/0

8+3

130

DFK 72AUC02

USB2.0

CMOS RS

MT9P031

5MP

2,2

15

100

10/10

8+3

50

DMK72AUC02

USB2.0

CMOS RS

MT9P031

5MP

2,2

30

100

10/10

8 bis 10

50

DMK33UX178

USB3.0

CMOS RS

IMX178

6MP

2,40

25

1

0/0

9 bis 11

280

DMK33UX265

USB3.0

CMOS GS

IMX265

3MP

3,45

24

1

0/0

13 bis 16

370

DMK41AF02

Firew.

CCD GS

ICX205

1,2MP

4,65

800

10 (12)

0/0

17 bis 20

15

DMK21AF618

Firew.

CCD GS

ICX618

0,3MP

5,60

800

10

0/0

20 bis 23

60

DMK27AUJ003

USB3.0

CMOS RS

MT9J003

10MP

1,67

4,6

100

0/0

6 bis 8

90

*Framerate bei 640x480    ** Für diese Blendenzahl ist die Kamera ausreichend angepasst (bei DFK Farbkameras incl. Zuschlag)   ***Die Skalen für die Kameraparameter Gain, Gamma,

Helligkeit und Kontrast variieren je nach Kameratyp und sogar je nach Anschluss USB oder Firewire erheblich.

 

 

Farbfilter: Sehr oft verwendet man bei der Planeten/Mond Fotografie diverse Farbfilter. Daher interessiert nicht nur der Vergleich im totalen Spektrum, sondern auch der Vergleich für verschiedene Bereiche des Spektrums. Um diese Information zu bekommen, werden alle Kameras mit einem kleinen IR-tauglichen Objektiv versehen, und das aus gleicher Entfernung aufgenommene Live-Bild einer Testtafel auf den PC-Bildschirm gebracht. Wegen der fehlenden Barlow sind die Bilder abhängig von der Pixelgröße des Sensors unterschiedlich groß, was jedoch in diesem Fall keine bedeutende Rolle spielt. Als Lichtquelle dient erneut diffuses Tageslicht aus einer Hochnebeldecke (stabile Helligkeit, weites Spektrum). Die Lichtstärke kann primitiv aber wirksam durch das Verschieben eines Rollos am Fenster eingestellt und korrigiert werden. Die zu testende Kamera wird nun auf die oben gefundenen Parameter sowie die in der Spalte "total" stehende Belichtungszeit eingestellt. Mit dem Rollo wird die Lichtmenge für ein ordentliches Bild eingeregelt (Histogramm nutzen), und das Bild mit IC.Capture aufgenommen. Das aufgenommene Bild wird dann mit einem Bildbetrachter (bei uns XnView) neben dem IC.Capture Fenster am Bildschirm angezeigt. Nun hält man das gewünschte Filter vor die Kameraoptik, und regelt das dann dunklere Bild ausschließlich durch Anpassung der Belichtungszeit auf das Aussehen des Vergleichsbildes zurück. Die sich ergebende (höhere) Belichtungszeit wird notiert. Bei jedem Filterwechsel kontrolliert man, ob das Bild ohne Filter noch dem Vergleichsbild entspricht, und regelt gegebenenfalls am Rollo nach. Auf diese Weise erhält man die anderen in Tabelle 2 aufgeführten Belichtungszeiten, die die ungefähre Performance der Kameras mit Farbfiltern zeigen.

 

 

Kritischer Hinweis: Bevor man mit der Tabelle unten arbeitet, sollte man den in der vorstehenden Abbildung noch einmal exemplarisch erläuterten Zusammenhang zur Kenntnis nehmen. Das Rauschverhalten von Kameras verändert sich mit der zur Verfügung stehenden Lichtmenge. Am Teleskop wird es immer dann kritisch, wenn wenig Licht verfügbar ist. Das ist zum Beispiel der Fall bei der Planetenfotografie, bei Nutzung einer auf maximale Auflösung angepassten Kamera, bei Verwendung von Licht schluckenden Filtern, und wenn hohe Frameraten benötigt werden, denn die höchste Belichtungszeit ist der Kehrwert der Framerate. Diese "Low Light" Situationen haben wir untersucht, dafür bietet die Tabelle 2 eine gute Abschätzung der Kameraperformance. Sie gilt also primär für exakt auf beste Auflösung (normalerweise mittels Barlow) an das Teleskop angepasste Kameras bei kritischen Lichtverhältnissen. Bei viel Licht ist die Tabelle zumindest für überschlägige Vergleiche ebenfalls nutzbar. Eine Aussage bezüglich der erreichbaren Bildschärfe von CCD/CMOS-Kameras macht dieser Vergleich nicht, dieses Thema wir an anderer Stelle behandelt.

 

 

Tabelle 2: Belichtungszeiten für Barlow korrigierte gleiche Auflösung bei weinig Licht

Filter ------>

total

IR-Sperr

IR-Pass

R

G

B

DFK27AUP006

 

1/5*

       

DFK 72AUC02

 

1/5,4*

       

DMK72AUC02

1/24

1/16

1/8

1/6

1/6

1/5

DMK33UX178

1/34

1/23

1/11

1/8,4

1/8,4

1/7,6

DMK33UX265

1/36

1/22

1/13

1/9,2

1/8,3

1/6,4

DMK41AF02

1/8,5

1/6,0

1/2,0

1/2,0

1/2,0

1/2,0

DMK21AF618

1/22

1/14

1/8,2

1/5,9

1/4,6

1/3,9

DMK27AUJ003

1/17

1/14

1/3,7

1/3,7

1/4,7

1/5,7

* Die DFK-Kameras sind Farbkameras mit eingebautem IR-Sperrfilter

 

 

Beispiele zu Tabelle 2: Will man die neue DMK33UX178 mit der alten Mondkamera DMK41AF02 vergleichen, so dividiert man 34/8,5 = 4. Die neue Kamera ist also bei identischem Bildrauschen am Teleskop 4 mal lichtstärker als die alte Kamera, hat aber einen Rolling Shutter (RS). Will man mit Global Shutter (GS) arbeiten, vergleicht man mit der DMK33UX265 und erhält mit 36/8,5 = 4,2  ebenfalls eine um Faktor 4 verkürzte Belichtungszeit. Noch ein Beispiel: Welche Kamera eignet sich bei der Nutzung eines IR-Passfilters zur Reduktion der Seeing bedingten Unschärfe? Die DMK33UX265 hat mit 13 den besten, die DMK41AF02 mit 2,0 den schlechtesten Wert (6,5 mal schlechter). Ein im Sichtbaren guter Refraktor bildet IR unscharf ab, und soll daher mit einem IR-Sperrfilter verwendet werden. Die Spalte IR-Sperr zeigt, dass die DMK41AF02 mit 6,0 hier die schwächste Leistung bringt, am besten ist mit 23 die DMK33UX178, wer einen GS wünscht, ist mit der DMK33UX265 mit 22 gut bedient. Ein einfacher Refraktor bildet im grünen Licht besonders scharf ab, und soll mit Grünfilter verwendet werden. Beste Kamera ist auch hier wieder die DMK33UX178 mit 8,4 in der Spalte G. Die DFK72 ist die Farbversion der DMK72. Sie ist mit IR-Sperrfilter versehen. Vergleicht man in der entsprechenden Spalte mit der monochromen Version, so erhält man 16/5,4 = 2,96, die Farbkamera verlängert die Belichtung also um einen Faktor 3. Jedem Pixel ist nämlich ein Farbfilter R, G oder B vorgeschaltet, der nur rund 1/3 des Lichtes durchlässt. Bei identischem Sensor sollte der Unterschied zwischen Monochrom/Farbversion immer bei etwa einem Faktor 3 liegen, z.B. würde die Farbversion mit IMX178 Sensor vermutlich im sichtbaren Licht (IR-Sperr) nach unserer Tabelle dann bei etwa 3/23 = 1/7,7 liegen, und damit etwas besser sein als die DFK72AUC02 mit 1/5,4. Jeder mag nun nach diesem Schema die ihn interessierenden Kameras vergleichen, und dabei ruhig andere Fabrikate mit dem gleichen Bildsensor (siehe Tabelle 1) mit einbeziehen, so lange die Elektronik dieser Fabrikate -wie die der TIS-Kameras- eine gute Qualität hat.

 

Wichtig: Vergleiche der oben durchgeführten Art sind nur spaltenweise erlaubt, nicht jedoch zeilenweise. Für zeilenweise Vergleiche müsste die Intensität des verwendeten Lichts und die Transmission der Optik für alle Wellenlängen gleich sein, das ist jedoch nur mit spezieller Optik und einer idealen Lichtquellen im Labor zu erreichen (grüne Linie in Abbildung unten rechts). Die horizontalen Werte einer Kamera würden sich zum Beispiel am Mond gegenüber unserem Tageslicht mehr oder weniger verschieben. "Horizontale Vergleiche" geben aber dennoch grobe Hinweise, wie empfindlich eine Kamera für die verschiedenen Wellenlängen ist. Beispiel: Bei der DMK21AF618 sind von 22 total 8,2 IR-pass, also mehr als 1/3 ist IR. Die Kamera ist also vermutlich in jedem Fall sehr gut empfindlich für IR. Die mittlere Abbildung unten bestätigt die vermutete hohe Empfindlichkeit des ICX618 im IR. Wer exakte Vergleiche dieser Art durchführen will, sei auf ein Dokument verwiesen, das bei The Imaging Source auf der Homepage zum Download bereitsteht, und Kurven für die relative Empfindlichkeit aller verwendeten  Sensoren enthält (Mediathek, Whitepaper Spectral Sensitivity). Wir haben hochwertige Filter von Baader Planetarium verwendet, die eine gute Trennung der Frequenzbereiche durch die in der Abbildung unten links aufgeführten Filter (IR/UV-Sperrfilter, 685nm IR-Passfilter, R, G und B Filter) ermöglichen. Bei der Addition R+G+B bzw. IRpass+IRsperr heben sich geringfügige Überschneidungen und Auslassungen der Filterkurven weitgehend gegeneinander auf. Dies ermöglicht eine Plausibilitätskontrolle unserer Ergebnisse: Die Werte unter dem Bruchstrich in Tabelle 2 sollten ungefähr(!) folgende Bedingungen erfüllen: R+G+B = IRsperr sowie IRsperr+IRpass = total. Erfreulicherweise ist diese Vorgabe bei allen Kameras ausreichend erfüllt, obwohl die bestimmten Werte keine Präzisionsmessungen sind.

 

 

Zusammenfassung: Alle beteiligten Kameras erfüllen -bezogen auf ihre Lichtstärke- bei der Planeten/Mond Fotografie die gestellte Aufgabe. Die alten CCD-Kameras liefern nach wie vor eine tadellose Qualität. Die Belichtungszeiten der bisherigen Referenzkamera DMK41AF02 für Mondaufnahmen sind kurz genug für hervorragende Bilder, auch wenn es bei der Verwendung von Filtern etwas knapper wird. Die alten Planeten-Referenzkameras DMK/DFK21AF618 schlagen sich (bei der s/w-Version speziell im IR-Bereich) immer noch respektabel, wie folgendes Jupiter IR-RGB zeigt. Diese Kameras gehören keinesfalls zum alten Eisen, zumal sie einen hochwertigen CCD-Sensor mit Global Shutter (GS) haben. Die Zukunft könnte jedoch den CMOS-Kameras gehören, die inzwischen das Niveau der CCD-Vorgänger in einigen Bereichen erreicht und sogar übertroffen haben. CMOS ist billiger zu produzieren als CCD, so hat der Hersteller Sony die CCD-Produktion angeblich ganz eingestellt. Die preiswerte DMK72AUC02 und die Farbvariante DFK72AUC02 liegen nicht dramatisch unter der Performance der modernen DMK33-Kameras, und sind speziell für die Planetenfotografie gut geeignet. Zudem sind sie optimal an die verbreiteten Blende 10 Spiegelteleskope ohne Barlow angepasst. Leider ist für großflächige Mondfotografie bei der DMK72AUC02 keine genügend hohe Framerate möglich, um den Rolling Shutter Effekt zu minimieren. Möglich ist das jedoch mit der USB3.0 Version DMK27AUP031. Die Sensoren der beiden Farbversionen weisen laut Datenblatt identische Werte auf, dennoch führt bei unseren Betriebsbedingungen ein Unterschied im Rauschverhalten der Kameras zu einer minimal geringeren Performance der USB3.0 Farb-Kamera DFK27AUP006.

 

Als Vertreter der 2018 modernsten Generation haben wir die DMK33UX178 gewählt, weil sie mit ihren 2,4µ Pixel ohne Zusatzoptik an die gängigen Blende 10 Teleskope angepasst ist. Wie die Tabelle 2 zeigt, ist diese Kamera noch einmal leistungsfähiger als die zuvor besprochene DMK72AUC02, ihre Farbversion sollte sich noch besser für die Planetenfotografie eignen, allerdings zu einem höheren Preis. Wir wollen die Kamera für die Mondfotografie verwenden sobald das Wetter passt. Wegen der geringeren Belichtungszeiten freuen wir uns auf ein bequemeres Arbeiten gegenüber der bewährten CCD-Kamera, deren perfekte Ergebnisse von der CMOS Kamera eventuelll erreicht, aber keinesfalls übertroffen werden können. Zusätzliche Überlegungen erfordert gegebenenfalls der Rolling Shutter. Hier kommt die DMK33UX265 ins Spiel. Sie hat bei hoher Empfindlichkeit einen Global Shutter, ist aber an ein Blende 10 Teleskop nicht optimal anpassbar, weil eine apochromatische Barlow mit dem erforderlichen kleinen Faktor nicht auf dem Markt ist. Besser sieht das für Nutzer lichtstarker kurzbrennweitiger Optiken aus, für die es passende Barlows gibt. Sie könnten eventuell sogar (bis Full HD Format mit 30 fps) trotz geringerer Empfindlichkeit und Framerate die DMK27AUJ003 nutzen, die schon bei Blende 6 ohne Barlow optimal angepasst ist. Ein sehr großer Vorteil der neuen Kameras ist unbestritten ihre Eignung für alle Fälle, bei denen das Licht knapp wird. Auch die maximalen Frameraten (Tabelle 1) lassen die CCD-Versionen alt aussehen. Der sich daraus ergebende Vorteil bei der Aufnahme schnell rotierender Planeten (Jupiter) mit s/w Kameras ist besonders bei der Erstellung eines L-RGB erheblich. Bei Farbkameras ist er weniger ausgeprägt, die Belichtungszeiten sind hier wegen Lichtmangels kaum kürzer als 1/50 Sekunde, wozu eine Kamera mit 50 fps reicht. Auch bei großflächigen Mondaufnahmen ist eine hohe Framerate nur bei CMOS Kameras zur Minimierung des Rolling Shutter Effekts erforderlich.

 

Fazit: Für Besitzer einer f = 10 Optik ist bei Neuanschaffung eine Mono/Farbkamera DMK/DFK27 und bei etwas höherem Preis DMK/DFK178 (oder andere Fabrikate mit dem gleichen Bildsensor) eine sehr gute Lösung für hochauflösende Fotografie. Da keine Barlow zur Anpassung benötigt wird spart man Geld, hat keine Einschränkung bei Lichtausbeute und Bildqualität. Die Bildebene der Kamera ist exakt definiert und leicht an die Herstellervorgabe für ebenes Bildfeld anpassbar. Wird bei anderer Blendenzahl oder Pixelgröße eine Barlow zur Anpassung benötigt, so ist auch die DMK33UX265 nutzbar. Dabei ist zu bedenken, dass die Barlow-Faktoren für die Verwendung mit einem Okular angegeben sind. Bei Nutzung mit einer Kamera liegt die Bildebene weiter hinten, und die Faktoren erhöhen sich teilweise beträchtlich. Aus einer Zweifach-Barlow wird also schnell auch mal eine Barlow mit Faktor 2,2-2.5.

 

Verbesserungspotential: Bei genauem Hinsehen zeigt sich, das kein Hersteller die Grenzen der Physik überlisten kann. Die modernen Sensoren haben diese Grenzen nun fast erreicht, und weitere Entwicklungen werden keine sensationelle Verbesserung der Lichtempfindlichkeit mehr bringen können. Die Erwärmung der Kameras im Betrieb ist jedoch leider noch relativ kräftig, bessere Wärmeableitung könnte auch ohne aktive Kühlung zu einer deutlichen Reduzierung des Bildrauschens führen. Die modernen Kameras gestatten Aufnahmen im 16 Bit Format, was eventuell im Astronomiebereich nutzbringend wäre. Die entstehenden Videos benötigen jedoch enormen Speicherplatz. Da nach Verwendung eines Stackprogramms auch aus 8 Bit Videos durch die Überlagerung tausender Bilder 16 Bit Endergebnisse entstehen, haben wir die 16 Bit Aufnahme (noch) nicht ausprobiert. Sollte bei den enormen Datenraten großer Bildformate der USB3.0 überfordert sein, kann eventuell die Größe der von den UX33 TIS Kameras übermittelten Datenpakete durch einen Registry-Eintrag verringert werden, was bei unserem Windows 7 System gut funktioniert hat (Info gegebenenfalls bei The Imaging Source). Weitere Informationen zur Wahl einer Kamera könnten ebenfalls interessant sein.

 

 

 

Seitenanfang

 

 

Teil 2: Rolling Shutter vs. Global Shutter

 

Das Shutter-Problem: WICHTIG: Dieser Bericht beschäftigt sich ausschließlich(!) mit hoch auflösender Fotografie von Mond/Planeten bei gutem Seeing und optimal an das Teleskop angepasster Kamera. Er untersucht nicht(!) wie sich ein Rolling Shutter bei Übersichtsaufnahmen geringer Auflösung auswirkt. Zusätzlich stellt sich die Frage, ob CCD oder CMOS die generell besseren Bilder liefert. Bei CCD-Sensoren Und einigen wenigen CMOS-Sensoren werden alle Pixel gleichzeitig belichtet, und dann zusammen ausgelesen (Global Shutter GS). Bei fast allen 2018 auf dem Markt befindlichen CMOS-Sensoren wird allerdings zeilenweise und damit zeitversetzt belichtet (Rolling Shutter RS). Das führt bei ausreichend schneller Bewegung eines Objekts zu einem völlig unbrauchbaren Bild. Da bei astronomischen Aufnahmen immer eine gewisse Bewegung durch Luftunruhe herrscht, und gelegentlich auch Wind zu Schwingungen des Teleskops führt, die wegen der hohen Vergrößerung sehr schnell sein können, muss man unbedingt darüber nachdenken, welche Probleme ein RS unter bestimmten Bedingungen verursachen könnte. Komischer Weise scheint sich aber kaum ein Astrofotograf darüber Gedanken zu machen, einige Händler preisen sogar den Rolling Shutter als besonders vorteilhaft an. Vor einer weiteren Analyse hier zunächst einige krasse Fälle von Rolling Shutter Effekt (RSE), die wir bei einer Bildrate von 5 fps und  einer Belichtungszeit von 1/1000 Sekunde mit einer DMK33UX178 erzeugt haben:

 

 

Erklärung: Die Zeilen der verwendeten Kamera werden von oben nach unten zeitversetzt belichtet. Beweg sich ein Objekt während des Bildaufbaus nach rechts, so wird es wegen des Zeitversatzes bei der Belichtung von Zeile zu Zeile immer etwas weiter rechts abgebildet. Eine senkrechte Linie wird zum Beispiel als schräg von oben links nach unten rechts gekippte Linie abgebildet, weil das Bild der Linie unten um x Pixel nach rechts verschoben ist. Das Bild wird also in Richtung seiner Bewegung "geschert". Schlimm genug, aber das ist noch nicht alles. Beim nach unten fortschreitenden Bildaufbau bleibt ein senkrecht nach unten/oben bewegtes Objekt länger/kürzer im Bild, sein Bild wird also senkrecht gedehnt/gestaucht. Die Kombination dieser Effekte kann zu geradezu grotesken Verzerrungen im gesamten Bild führen. Um die möglichen Auswirkungen bei astronomischen Aufnahmen abzuschätzen, haben wir den horizontalen RSE genauer untersucht. Dazu wurde eine Kamera auf einem mit einstellbarer Geschwindigkeit drehbaren Teller montiert, und die bei horizontaler Bewegung des Objekts eintretende Verschiebung x (s. Abbildung unten) einer senkrechten Linie zwischen oberem und unterem Bildrand (also auf die volle Bildhöhe H) gemessen.

 

Formelherleitung: Wer mit Mathematik und Physik auf Kriegsfuss steht, kann gleich unten bei "Fazit ROI" weiter lesen. Beim RS ist die für den Bildaufbau eines Videoframes benötigte Zeit t durch die Framerate f des Videos gegeben, dabei gilt t = 1/f. Während dieser Zeit t bewegt sich das Objekt im Bild seitlich um die Strecke x, wobei gilt v = x/t. Setzt man für t nun 1/f ein, so erhält man v = xf und damit x = v/f.  Diese Verschiebung verteilt sich nun gleichmäßig auf die volle Bildhöhe H, der auf eine Zeile entfallende Anteil ist  Vz = x/H = v/(f*H). Erst Vz ist ein universelles vergleichbares Maß für die Stärke der Verzerrung bei einem vorgegebenen Bildmodus. Die RS bedingte Verzerrung ist also direkt proportional zur Geschwindigkeit v mit der sich das Objekt im Bild bewegt, und umgekehrt proportional zu Bildrate f und Bildhöhe H. Weitere Einflüsse (z.B. Belichtungszeit) gibt es nicht. In der Praxis interessiert man sich oft für einen Teilbereich des Bildes mit einer Höhe von h Zeilen (zum Beispiel einer Turbulenzzelle). Für die sich dort von Zeile zu Zeile aufsummierende Verzerrung gilt Vh = Vz*h = (v*h)/(f*H). Diese Formel ist bestens geeignet um den Einfluss des horizontalen Rolling Shutter Effekts bei praktischen Anwendungen abzuschätzen.

 

Für Standard-Formate aus dem Kameramenü und Frameraten über 10 fps berechnet sich die maximale Verzerrung in einem Teilbereich mit h Zeilen (also einer Höhe von h Pixel) zu

         Vh = (v*h)/(f*H)     

v: Geschwindigkeit des Objekts in Pixel/s

h: Zeilenzahl des interessierenden Bildbereichs

H: Zeilenzahl des vollen Bildes

f: Framerate des Videos in Frames/s

Für genügend hohe Frameraten gilt die Formel auch für mittels ROI selbst definierte Formate.

 

Überprüfung der Formel: Die Geschwindigkeit v unserer Messapparatur haben wir mit einer Stoppuhr am PC-Bildschirm gemessen. Das Objekt durchlief das Bild des 3072 Pixel breiten Sensors in 4,0 Sekunden, was eine Geschwindigkeit von rund 770 Pixel/Sekunde ergibt. Für verschiedene Bildraten ergibt unsere Formel für H = 960 Pixel die unten in der 3. Spalte der Tabelle  aufgeführten Werte für die Verschiebung zwischen oberem und unterem Bildrand, angegeben in Pixel. Die von uns am PC-Bildschirm gemessenen Werte stehen in der 2. Spalte, und stimmen im Rahmen der Messgenauigkeit bestens mit der Rechnung überein. Das gilt auch für alle Messungen an unseren anderen Kameras mit RS (DMK72AUC02, DMK33UX178, DMK27AUJ003) für Frameraten über 10 fps, sowie alle im Kameramenü wählbaren Standard-Bildformate. Wir vermuten daher, dass die Formel unter den genannten Bedingungen auch für andere Kameras mit RS anwendbar ist.

 

ROI: In der Praxis ist v durch die Umstände bei der Aufnahme vorgegeben. Da die Verschiebung x dann bei Standard-Formaten aus dem Kameramenü nur noch von der Framerate abhängt sollte man meinen, dass das auch für eine ROI (Region of Interest) gilt. Die in der linken blauen Spalte stehenden, gemessenen Werte für eine ROI der Höhe 240 Pixel, weichen jedoch von den berechneten Werten in Spalte 3 bei geringen Frameraten stark ab, erst bei hohen Frameraten stimmen die berechneten und gemessenen Werte relativ gut überein. Je nach dem, wie eine Kamera die ROI-Funktion handhabt, gilt unsere Formel bei ROI erst bei hohen Frameraten relativ genau. In der rechten blauen Spalte sehen die aus den gemessenen Werten durch Division mit 240 gewonnenen Werte Vz, die nun mit den Werten für die volle Bildhöhe (rechte graue Spalte) verglichen werden können. Der Vergleich zeigt die Tatsache, dass bei ROI die Verzerrung drastisch ansteigt (Erklärung s. auch die Abbildung oben). Zum Beispiel gibt es bei 80 fps mit 0,010 zu 0,033 eine Verdreifachung der Verzerrung durch die ROI.

 

Fazit ROI: In jedem Fall ergibt die Verwendung von ROI kleiner Bildhöhen bei gleichbleibender Framerate eine drastische Verschlechterung. Andererseits steigt bei der Wahl einer ROI die mögliche Framerate stark an, und  man könnte die Verschlechterung durch eine höhere Framerate ausgleichen. Dabei verkürzt sich aber die Belichtungszeit, die nie länger als der Kehrwert der Framerate sein kann, das ist bei schwachem Licht (Planeten) also keine akzeptable Lösung. Vermeiden kann man die Verschlechterung nur, wenn man eine ROI als senkrechten Streifen über die volle Bildhöhe legt. Das führt zu keiner Verschlechterung gegenüber dem Vollformat, spart aber Speicherplatz für das Video.

 

Verschiebung* für Objektbewegung v=770 Pixel/s, Kamera DMK33UX178,  Belichtung 1/314 s
  Verschiebung bei voller Bildhöhe 960 Pixel Verschiebung bei ROI 240 Pixel

Framerate

gemessen

berechnet

pro Zeile

gemessen

 pro Zeile

5

159

154

0,160

40

0,175

10

74,3

73,5

0,077

35

0,146

20

38,4

38,5

0,040

33

0,137

40

18,5

19,2

0,020

14

0,058

80

10,1

9,6

0,010

8

0,033

120

6,5

6,4

0,007

6

0,025

*Angabe aller Verschiebungen in Pixel, Pixel pro Zeile ist ein vergleichbares Maß für die Verzerrung

 

Beispiele: Wer nur das schnelle Ergebnis sucht, kann nun nach Beispiel 4 weiterlesen. Die oben angegebene Formel lässt sich nun recht einfach für verschiedene Fragen anwenden, und gilt vermutlich nicht nur für unsere drei Kameras mit RS, sondern für alle Kameras mit entsprechender Funktion. In der Tabelle wurde die DMK33UX178 untersucht. Sie war auf das Bildformat 1280x960 eingestellt. Zunächst haben wir die Verschiebung im Bild über die volle Bildhöhe von 960 Zeilen für die  Bildbewegung unserer Messapparatur v = 770 Pixel/s berechnet. Für Framerate f = 20 fps, volle Bildhöhe H = 960, gewünschte Bildhöhe h = 960 (wir wollen das volle Bild betrachten, daher ist h = H) ergibt sich für die Verzerrung durch GS über die volle Bildhöhe Vh = (770*960)/(20*960) = 38,5 Pixel. Das bewegte Bild wird also um 38,5 Pixel seitlich geschert. Auf diese Weise haben wir auch die anderen Werte der 3. Spalte der Tabelle bestimmt, sie stimmen mit den von uns gemessenen Werte in der 2. Spalte gut überein. Für die Verzerrung einer einzelnen Zeile ist h = 1, es gilt Vh = (770*1)/(20*960) = 0,040 Pixel. Diese Werte stehen in der 4. Spalte ebenfalls in der Tabelle, sie sind die Kenngröße für den direkten Vergleich verschiedener Kameraeinstellungen untereinander. So ist in der Tabelle zum Beispiel die Verzerrung 0,04 bei 20 fps 5,7 mal stärker als die Verzerrung 0,007 bei 120 fps.

 

Beispiel 1: Wir nehmen eine durch Wind verursachte ständige großflächige Bewegung im Bild mit v = 200 Pixel/s an, und wollen im Format 1280x960 bei einer Framerate von 40 fps ein vollformatiges Mondvideo erstellen. Dann folgt Vh = (200*960)/(40*960) = 5 Pixel für die systematische horizontale Verschiebung über die volle Bildhöhe. Da die Bewegung ständig die Richtung ändert (hin und her Schwingen) gibt es eine systematisch von oben nach unten fortschreitende Bildscherung über die ganze Bildhöhe, mal nach Rechts und mal nach Links um +/-5 Pixel. Da die Scherung systematisch über die ganze Bildhöhe erfolgt, ist sie für eine Stacking-Software ein Problem, zumal sie keine Unschärfe erzeugt, und daher von der Qualitätskontrolle eventuell nur schwer erkannt wird. In diesem Fall würde eine deutliche Verschlechterung der Bildqualität durch den Rolling Shutter Effekt eintreten. Man müsste also durch eine Verdreifachung der Framerate auf 120 fps den Wert auf +/- 1,7 Pixel reduzieren, immer noch nicht ganz optimal.

 

Beispiel 2: Es bleibt bei v = 200 Pixel/s, Format 1280x960 und 40 fps. Das Wetter habe sich gebessert, es gibt keine großflächigen Verschiebungen durch Windböen mehr. Dafür kocht das Seeing nun mit kleinen schnellen Bewegungen mit v = 200 Pixel/s in einer Zellengröße von 60 Pixel (und damit Zeilenzahl h = 60). Es gilt Vh = (200*60)/(40*960) = 0,31 Pixel. Damit ist im gesamten Bild im Bereich der Turbulenzellen lokal mit bis zu +/- 0,31 Pixel horizontaler Verschiebung zu rechnen. Da die Verschiebungen lokal begrenzt und statistisch verteilt erfolgen, addieren sie sich jedoch nicht auf. Wir können daher auf eine noch ausreichende Funktion unseres Stackprogramms hoffen, und eine nur geringe Verschlechterung des Resultats. Falls möglich bringt uns eine Erhöhung der Framerate auf 120 fps mit +/-0,1 Pixel auf die sichere Seite.

 

Beispiel 3: Es bleibt bei v = 200 Pixel/s, Format 1280x960 und 40 fps. Jupiter sei im Bild 240 Pixel hoch damit ist h = 240. Es folgt Vh = (200*240)/(40*960) = 1,25 Pixel. Die maximale horizontale Verzerrung über die Höhe der Planetenscheibe ist also +/-1,25 Pixel. Die 1,25 Pixel sind uns zu viel, wir erhöhen die Framerate auf 80 fps bei 1/80 s Belichtung, und wechseln auf ein Bildformat mit einer Höhe von 2024 Pixel. Nun gilt: Vh = (200*240)/(80*2024) = 0,3 Pixel. +/-0,3 Pixel geht in Ordnung. Jupiter  steht nun als kleine Scheibe in einem riesigen Bildfeld, aber der Rolling Shutter Effekt wird keine schlimme Rolle mehr spielen. Um die Datenmenge zu reduzieren, legen wir den Planeten gegebenenfalls wie oben schon besprochen in eine senkrechte(!) ROI über die ganze Bildhöhe.

 

Beispiel 4: Es gelte wieder wie in der Tabelle v = 770 Pixel/s und Format 1280x960. Es soll nun mit einer ROI von 300x240 bei 80 fps gearbeitet werden. Für die Verzerrung über die volle Höhe des selbst definierten Formats 300x240 gilt also h = H = 240, und die Formel  ergibt  Vh =  (770*240/80*240) = 9,6. Vergleicht man mit dem gemessenen Wert (linke blaue Spalte) von 8, so ergibt sich eine gute Näherung, aber kein exakter Wert. Wer unbedingt mit einer ROI arbeiten muss, kann die Formel je nach Kameratyp zumindest bei hohen Frameraten relativ genau zur Abschätzung der Verzerrung verwenden. Die gemessene Verzerrung pro Zeile ist 0,033 Pixel (rechte blaue Spalte), und damit dreimal so groß wie die Verzerrung 0,010 Pixel (rechte graue Spalte) bei Nutzung des ganzen Formats von 1280x960. Eine ROI geringer Höhe sollte man wie im Abschnitt ROI weiter oben besprochen also möglichst vermeiden.

 

 Wir halten fest:

Daraus folgt:

 

Zusätzliche Unschärfen: Man sollte unbedingt im Auge behalten, dass wir bis jetzt nur über die zusätzliche(!) Verzerrungsunschärfe Vh durch horizontalen (und bei vertikaler Bewegung vertikalen) Rolling Shutter Effekt gesprochen haben. Hinzu kommt natürlich immer die ebenfalls durch jede Bewegung verursachte "normale" Bewegungsunschärfe BU, und die durch Seeing verursachte "normale" Verzerrung SV. Eine Bewegung mit v = 200 Pixel/s bewirkt bei einer Belichtungszeit von t = 1/100 s bei jedem Kameratyp eine Bewegungsunschärfe von BU = v*t = 200*0,01 = 2 Pixel. Die "normale" Verzerrung durch Seeing ist vom Typ des Seeings abhängig, und kaum in einer Formel zu erfassen. Die gesamte Unschärfe ist dann Vh + BU + SV. Vermutlich sieht das in der Summe der drei Effekte so aus: Großflächige Bewegungen durch Wind etc. ergeben bei RS-Kameras auf jedem Fall eine zur BU und SV störende zusätzliche Unschärfe durch den Rolling Shutter. Eine unter normalen, nicht ganz optimalen Bedingungen durch belichtungsbedingte Bewegungsunschärfe vorbelastete Aufnahme wird durch den Rolling Shutter Effekt geringfügig zusätzlich verschlechtert. Wer unter sehr guten Bedingungen arbeitet (also mit Bildbewegungen deutlich kleiner als v= 200 Pixel/s) verringert mit abnehmendem v alle drei Effekte gegen Null, liegt jedoch immer geringfügig schlechter als bei reiner Bewegungsunschärfe. Voraussetzung ist dabei, dass die zuvor aufgestellten Regeln zur Reduktion der Rolling Shutter bedingten Vh streng beachtet werden. Im Internet findet man recht gute Mondaufnahmen mit RS-Kameras, wir haben aber bisher kein Bild gefunden, dass die für eine gute 12" SC-Optik bei gutem Seeing mögliche theoretische Auflösung zeigt, die Qualität der alten DMK41AF02 CCD-Kamera (rot umrandet im Bild unten) mit Global Shutter ist immer noch unübertroffen. Für ganz anspruchsvolle Projekte zur vollen Nutzung der theoretischen Auflösung einer perfekten Optik würden wir daher eine Kamera mit Global Shutter bevorzugen, man ist dann in jedem Fall auf der sicheren Seite.

 

Beispiel zur Kombination der Unschärfen: Wir konnten bei relativ guten Bedingungen ein Jupiterbild mit der DFK72AUC02 im Format 640x480 bei 50 fps mit 1/50 s Belichtungszeit erstellen. Frameweise Betrachtung des Videos ergibt in kurzen Zeitabständen Verschiebungen von ca. 3 Pixel des kompletten Jupiterbildes innerhalb eines Framewechsels, also eine BU von 3 Pixel (in 1/50s). Das entspricht einer kurzen Bewegung mit v = 150 Pixel/s, die eine Verzerrung durch Rolling Shutter über das 240 Zeilen hohe Jupiterbild von Vh = (150*240)/(50*480) = 3 Pixel ergibt. Daraus folgt während der kurzen Verschiebungen eine Unschärfe Vh + BU = 6 Pixel (ungefähr 1,7mm auf unserem Bildschirm) zusätzlich zur "normalen" Seeingverzerrung SV. Dazwischen liegen Perioden von etwa 2-4 Frames, die fast nur SV zeigen. Nach dem Stacken (5000 Frames ohne Auswahl) und Schärfung mit Giotto ergab sich ein für eine Farbkamera bei nicht perfektem Seeing erstaunlich gutes Ergebnis als Beweis für die gute Anwendbarkeit einer RS-Kamera bei der Planetenfotografie.

 

Weitgehende Entwarnung: Abschließend muss die anfängliche Frage geklärt werden, wann RSE nun einen Einfluss auf die astronomische Bilderzeugung hat. Wir sollten dabei bedenken, dass Bewegungen durch Luftunruhe und durch Winddruck angeregte Schwingungen sehr schnell sein können, und die oben oft verwendeten 200 Pixel/s erheblich übertreffen können. Der seeingbedingte Teil der Bewegung tritt normalerweise statistisch verteilt in kleinen Bildpartien auf, und wird daher wesentlich schwächer wirksam. Es beseht die Hoffnung einer erfolgreichen Korrektur beim Stacken der Videoframes. Gefährlich sind großflächige synchrone Bewegungen über die ganze Bildfläche durch Wind oder Nachführungskorrektur mit einer Handbox, sowie durch seltene, großflächige Seeingeffekte. Diese systematisch über die ganze Bildhöhe wirksamen Bewegungen scheren das Bild in der ganzen Höhe abwechselnd nach links und rechts, bzw. stauchen und dehnen es von oben nach unten (s. obige Abbildungen des Bilderrahmens). Beim Stacking können solche systematischen Verzerrungen keinesfalls ausgeglichen werden. Hinzu kommt, dass bei der Verzerrung durch RSE keine Unschärfe entsteht, die die Qualitätskontrolle der Stacking-Sofware erkennen könnte. Wie die obigen Beispiele zeigen ist bei Abwesenheit großflächiger Bewegungen und einigermaßen gutem Seeing nur mit einer lokal in Bildpartien wirkenden statistisch verteilten Rolling Shutter bedingten Vh von ein oder zwei Pixel zu rechnen. Es ergibt sich also (ausschließlich in Bezug auf hoch auflösende Mond/Planeten Aufnahmen) folgendes Bild:

 

 

Experimente: Schlechtes Seeing wird nicht untersucht, hohe Auflösung ist dann unmöglich. Wir haben gezielt bei mittlerem bis gutem Seeing einige Versuche mit der Rolling Shutter Kamera DMK33UX178 und der Global Shutter Kamera DMK33UX265 gemacht, um eventuelle Unterschiede zu erkennen. Wir zeigen hier kleine Ausschnitte aus den Bildern zur Begutachtung. Die zu vergleichenden Bilder wurden jeweils unmittelbar hintereinander unter identischen Bedingungen aufgenommen. Die Bearbeitung erfolge mit AviStack, Schärfung mit Giotto und  Photoshop. Es gab noch keine Barlow zur besseren Anpassung der 265er Kamera an das Teleskop. Die vorerst aus den Bildern gezogenen Schlüsse müssen noch nicht endgültig sein.

 

 

Das obige Clavius-Paar wurde mit dem C11 und IR-pass Filter zur Verringerung der Unschärfe durch das nur mäßige Seeing am 25.02.18 aufgenommen. Das Seeing enthielt keine großflächigen Verschiebungen (Schulnote 3+). Links DMK33UX178, 110 fps, 1/110 s belichtet. Rechts DMK33UX ohne Barlow, 180 fps, 1/233 s belichtet. Das Bild der DMK33UX178 wurde auf 70% verkleinert, um es mit dem Bild der DMK33UX265 vergleichbar zu machen. Auf Grund dieser Verkleinerung und der Tatsche, dass die DMK33UX178 (2,4µ) im Gegensatz zur DMK33UX265 (3,45µ) optimal an das Teleskop angepasst war, sollte es das schärfere Bild sein. Die Bilder zeigen jedoch gleiche Qualität. Das spricht für die DMK33UX265 mit Gobal Shutter (GS), die mit Barlow korrekt angepasst dann eigentlich ein bessere Bild liefern sollte. Wie der kleine Ausschnitt aus einem unserer früheren DMK41-Clavius-Bilder zeigt, kommt die Schärfe beider Bilder nicht an die Möglichkeiten einer sehr guten 11" Optik bei sehr guten Bedingungen heran, was ja auch wegen des mäßigen Seeings nicht zu erwarten war.

 

Die unterhalb gezeigten Schröteri-Bilder wurden mit 100 fps und kurzen Belichtungszeiten ohne Filter am 29.01.18 aufgenommen. Das Video der DMK33UX178 enthält mehr Frames, und rauscht daher trotz sonst gleicher Bildbearbeitung etwas weniger. Das Seeing war nur mäßig, und enthielt eine für Rolling Shutter (RS) ungünstige großflächige Komponente, daher nur Schulnote 4. Auch hier müsste eigentlich wegen der besseren Anpassung an das Teleskop, der Verkleinerung auf 70% und der etwas größeren verarbeiteten Framezahl das Bild der DMK33UX178 schärfer sein. Es erreicht jedoch im Mittel nur das Niveau der schlecht angepassten DMK33UX265. Verantwortlich könnte die großflächige Komponenten des Seeings sein, die eventuell einen kleinen, aber nicht ganz vernachlässigbaren Rolling Shutter Effekt hervorruft.

 

 

Das unten stehende Bilderpaar vom Krater Copernicus wurde ebenfalls bei mäßigem Seeing, jedoch ohne großflächige Anteile aufgenommen (Schulnote 3+). In diesen Fall wurde das Bild der DMK33UX178 nicht verkleinert. Trotz Fehlanpassung der DMK33UX265 zeigen beide Bilder ungefähr identisch viele Details. Das lässt darauf schließen, dass bei korrekter Anpassung mittels einer guten(!) Barlow die 265er Kamera ein etwas besseres Bild als die 178er zeigen würde. Das könnte ebenfalls auf eine geringe Verschlechterung durch Rolling Shutter (RS) bei der 178er hindeuten. Diese wäre aber so gering, dass bei perfektem Seeing und einer Barlow für die 365er beide Kameras eigentlich identische, noch deutlich schärfere Bilder liefern sollten. Die Bilder wurden mit IR-pass Filter aufgenommen, um den Schärfeverlust durch Seeing zu verringern.

 

 

Entwarnung vorerst bestätigt: Ob die neuen CMOS Kameras am Mond bei richtig gutem Seeing die Ergebnisse unserer alten CCD DMK41 erreichen, werden wir erst wissen, wenn das Wetter mal sehr genau passt, und das kann lange dauern. Vorteilhaft für Vergleiche ist dann auch die inzwischen beschaffte Barlow zur Anpassung der DMK33UX265 an das C11. Bei Planeten hatten wir -wie schon oben erwähnt- Glück, und konnten mit der DFK72AUC02 Farbversion erstmals mit einer RS-Kamera mit unserem C11 EHD eine Jupiteraufnahme machen. Das Ergebnis ist für den geringen Aufwand und das nicht optimale Seeing erstaunlich gut. Das beweist, dass ein Rolling Shutter zumindest bei Planeten bei Einhaltung einiger Regeln problemlos anwendbar ist. Vorläufiges Ergebnis für Mondbilder: Der Rolling Shutter muss in jedem Fall zu zusätzlicher Unschärfe im Bild führen (das ist einfach Physik), diese Unschärfe hält sich bei Beachtung der oben aufgestellten Regeln aber in fast unauffälligen Grenzen, und wird bei sehr gutem Seeing vernachlässigbar. Entsprechende Mondaufnahmen können wir bei etwas Wetterglück eventuell später nachlegen, und damit auch klären, ob die neuen CMOS-Kameras generell(!) das bisher unübertroffene Niveau einer guten CCD-Kamera wie der DMK41AF02 erreichen können.

 

Bis dahin noch ein vorläufiger Behelf der zeigt, dass alle drei Mondkameras bezüglich der Bildschärfe weitgehend gleichwertig sind: Die folgenden kleinen Ausschnitte wurden an einem "künstlichen Mond" mit derselben hochwertigen Zeiss-Optik gemacht, die Bildgröße wurde durch die Aufnahmeentfernung auf gleiches Maß eingestellt. Alle Kameras arbeiteten also bei gleicher Flächenhelligkeit. Es wurden je 100 Videoframes aufgenommen, gestackt, und mit dem Mexican Hat Filter von Giotto geschärft. Der feine horizontale Riss ist einen winzigen Bruchteil eines Millimeters breit, und mit dem bloßen Auge aus 30cm Entfernung praktisch nicht sichtbar! Die Aufnahmeentfernung lag je nach Kamera zwischen 1,50 und 2,90 Meter. Die Unterschiede in der Bildqualität sind auf den ersten Blick minimal. Dass das Bild der CCD-Kamera bei gleicher Bildbearbeitung die sauberste Oberfläche liefert, und mit Abstand die geringste Schärfung benötigt deutet jedoch daraufhin, dass CCD immer noch die Nase zumindest minimal vorne hat. Damit ist die Frage nach der generellen Qualität von CCD/CMOS zumindest bezogen auf die hoch auflösende Fotografie vorläufig(!) beantwortet.

 

 

Weitere Versuche scheiterten vorerst an dem seit Wochen miserablen Wetter. Das Seeing war nur an einem Tag vor Sonnenuntergang einigermaßen brauchbar. Mit unseren hoch auflösenden Versuchen kamen wir nicht weiter, aber es entstand ein nicht optimales, aber dennoch interessantes Bild  Mond bei Tageslicht. Es zeigt, dass eine Beobachtung mit einem IR-Bandpassfilter sogar bei Tageslicht funktioniert.

 

 

Seitenanfang

 

 

 

Teil 3: Aktive USB3.0 Verlängerungen

 

Das Anschluss-Problem: Eine ärgerliche Problematik ergibt sich für Kameras mit hoher Datenrate. Sie benötigen eine schnelle Schnittstelle wie zum Beispiel USB3.0. Steht der Computer nicht direkt am Teleskop, benötigt man ein längeres Anschlusskabel, eine so genannte "aktive Verlängerung". Das ist ein Kabel mit Elektronik zur Signalaufbereitung in den Steckern, das über USB oder ein eigenes Netzgerät mit Strom versorgt wird. Solche Kabel funktionieren bei USB2.0 normalerweise einwandfrei, bei USB3.0 leider nicht immer. Wir haben das an unserem 64 Bit Windows 7 professional System mit nachgerüsteter USB3.0 Karte genauer untersucht. Vor der gegebenenfalls erforderlichen Nachrüstung sollte man beim Kamerahersteller anfragen, weil bestimmte Karten gelegentlich nicht mit den Kameras funktionieren. Beim Kauf von Kabeln sollte man im Internet recherchieren, die Preisdifferenz ist oft beträchtlich. Hier nun unsere Erfahrungen, übrigens eindeutig nach dem Motto "Probieren geht über Studieren":

 

Kabel ohne Elektronik: Es werden am Markt Kabel besonders hoher Qualität teuer angeboten, die auch bei Längen von 5 m oder mehr eine gute Verbindung ermöglichen sollen. Keines der von uns ausprobierten Kabel dieser Art hat bei hoher Datenrate stabil funktioniert. Noch schlimmer: Selbst kurze Kabel funktionierten in bestimmten Längen gut, in anderen Längen hingegen schlecht, ein eindeutiger Zusammenhang von Preis und Funktion war nicht erkennbar. Viele Kabel sind zudem relativ dick und unflexibel, und werden bei Kälte so starr, dass sie nicht am Teleskop nutzbar sind. Leider ist davon auch das qualitativ gute Kabel von TIS mit Schraubsteckern betroffen. Schraubstecker sind am Teleskop übrigens immer dann gefährlich, wenn es beim Schwenken des Teleskops oder bei einem nächtlichen Fehltritt zu einer starken Zugbelastung kommt.

 

Aktive 5 m Kabel: Wir haben zwei dieser Kabel von Delock bzw. Manhattan ausprobiert. das Manhattan Kabel soll ohne zusätzliches Netzteil auskommen, das Delock hat eine Buchse für ein 5.0 V USB-Netzteil. Für stabilen Betrieb benötigten alle(!) Kabel ein externes Netzgerät. Wir haben das Problem ohne Anschlüsse am Kabel gelöst: Da die Kabel ohnehin für den direkten Anschluss an die Kamera zu sperrig sind (bei strenger Kälte ist der Anschluss sogar unmöglich), haben wir ein dünnes 1,80 m langes USB3.0 Y-Kabel zwischen Verlängerung und Kamera gesteckt, und die Stromzufuhr über den kurzen zweiten Anschluss des Y-Kabels vorgenommen. Dieses dünne USB3.0 Y-Kabel gibt es bei Conrad Elektronik in verschiedenen Längen, von denen die 1,80 m Version (im Gegensatz zu bestimmten kürzeren Varianten) einwandfrei funktionierte.

 

Aktive 10 m Kabel: Es gibt mehrere 10 m Kabel mit Elektronik im Stecker und in einer zusätzlichen Box in Kabelmitte. Wir haben zwei Versionen (Delock und vermutlich baugleich Renkforce) ausprobiert. Sie funktionierten einwandfrei mit kameraseitiger Stromversorgung über Y-Kabel, die eingebauten Buchsen für externe Netzteile wurden nicht benötigt. Bis zu dieser Länge reicht ein USB Netzgerät mit 1.0 A Stromabgabe im allgemeinen noch aus.

 

Größere Längen: Es gibt noch längere Kabel als 10 m. Wir haben das nicht ausprobiert, sondern mehrere kürzere Kabel hintereinander gesteckt (kaskadiert). 5 +10 + 1,80 m sowie  10 + 10 + 1,80 m  und 5 + 10 +10 + 1,80 m. Man beachte die PC-seitige Position des 5 m Kabels, zumindest bei der größten Länge ist das zwingend, weil sonst die kleinen USB3.0 Einplatinen Kameras nicht funktionieren. Alle Kabel konnten mit kameraseitigem Y-Kabel mit Strom versorgt werden. Die an den Kabeln vorgesehenen Anschlüsse können natürlich ebenfalls verwendet werden. Da die Kabel selbst relativ viel Strom benötigen, muss das USB Netzgerät mindestens 2.0 A Strom liefern. Wer mehr Länge benötigt, muss auf sehr teuere USB3.0 Glasfaser-Repeater umsteigen.

 

 

Stromversorgung: Wie schon besprochen reicht normalerweise eine Stromversorgung über Y-Kabel am kameraseitigen Ende. Entweder durch ein 2.0 A USB-Netzgerät (benötigt 230 V beim Teleskop) oder durch ein parallel zur USB3.0 Leitung verlegte USB2.0 Verlängerung, die kameraseitig an das Y-Kabel angesteckt wird, und computerseitig durch ein USB-Netzgerät versorgt wird (nicht am Computer anstecken). An Stelle des Y-Kabels können natürlich auch die an den Kabeln vorgesehenen Buchsen mit einem 2 Ampere USB Netzteil verwendet werden. Versuche der Stromversorgung durch USB-Anschlüsse der kleinen KFZ-Notstart Boxen schlugen fehl, vermutlich weil sich diese Anschlüsse sofort abschalten wenn einige Sekunden kein Strom fließt, und auch den hohen Strom für längere Kabel nicht liefern können. Ob das eventuell mit anderen Powerbanks funktioniert haben wir nicht probiert.

 

Kamerawechsel: Man steckt die Kamera vom 1,8 m Y-Kabel ab. Nach kurzer Pause steckt man die andere (oder erneut die alte) Kamera an. Am PC erscheint eine Meldung über eine verlorene Kamera. Diese Meldung klickt man weg, und  kann danach mit DATEI/NEU die neue Kamera wählen. Sollte das nicht funktionieren kann man das Kabel am PC kurz abstecken. Bringt das keine Lösung, muss die Verlängerung verkürzt werden. Bei uns gab es bis zu der Konfiguration 5 + 10 + 10 + 1,8 (man beachte die Reihenfolge der Verlängerungen) keine Probleme mit allen 5 USB3.0 Kameras.

 

Eventuelle Probleme: Wir geben hier an, wie das bei uns funktioniert hat. Eventuell muss für andere Systemen anders vorgegangen werden. Beim Kombination mehrerer Kabel ist es gelegentlich von Bedeutung, in welcher Reihenfolge das Zusammenstecken von Kabel, Stromversorgung und Kamera erfolgt. Wir haben zunächst alle Kabel incl. Kamera am Y-Kabel zusammengesteckt, dann das Netzgerät angesteckt, und erst danach das Kable mit dem PC verbunden. Teleskopseitig darf man die Kamera vom Y-Kabel abstecken (und z.B. wechseln), das Y-Kabel darf aber nicht getrennt werden, damit die Stromversorgung der Verlängerung nicht zusammenbricht. Geschieht das versehentlich doch, muss die Stromversorgung wieder hergestellt werden, und danach am PC das Kabel kurz getrennt werden. Auch nach einem eventuellen Crash ist es wichtig zu wissen, wie man die Verlängerung wieder zum Laufen bringt. Bei uns musste man in diesem Fall das Kabel vom PC trennen, und nach kurzer Pause erneut anstecken. Die Stromversorgung blieb derweil an der Kamera. In ganz seltenen Fällen war ein Neustart des PC erforderlich. Das Manhattan Kabel war angenehm dünn und leicht, es war aber so in eine zu enge Verpackung geknautscht, dass es nicht mehr glatt zu bekommen war. Wir würden aus diesem Grund das Delock (oder baugleich das Renkforce) vorziehen.

 


Seitenanfang